JP2019004160A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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そこで、転位密度の低い窒化物半導体を形成する技術が開発されつつあり、一定の成果が得られている。
n側層とp側層の間に多重量子井戸構造の発光層を含む窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層は、前記n側層側から順に、n側第1障壁層と、前記n側層からの距離が最も短い井戸層であるn側第1井戸層と、前記n側第1障壁層よりバンドギャップの小さいn側第1中間障壁層と、前記n側層からの距離が二番目に短い井戸層であるn側第2井戸層と、前記n側第1中間障壁層よりバンドギャップの大きい中間障壁層と、井戸層とを含むことを特徴とする。
実施形態1の窒化物半導体発光素子10は、図1に示すように、基板1と、基板1上に設けられたn側層(n側半導体層)2、発光層3及びp側層(p側半導体層)4とを含む。なお、基板1は、例えば、n側層2、発光層3及びp側層4を形成した後に除去してもよい。n側層2は、n型コンタクト層を含み、p側層4はp型コンタクト層を含む。
窒化物半導体発光素子10において、発光層3は、図2Aに示すように、n側層2側から順に、n側第1障壁層3bnと、n側層2に最も近い井戸層であるn側第1井戸層3wnと、n側第1障壁層3bnよりバンドギャップの小さいn側第1中間障壁層3mnと、n側層からの距離が二番目に短い井戸層である井戸層3w2(n側第2井戸層)と、n側第1中間障壁層3mnよりバンドギャップの大きい中間障壁層3m2と、井戸層3w3と、p側第1障壁層3bpとを含む。
図2Bに、以上のように構成された発光層3に係るエネルギーバンド構造(以下、単にバンド構造という。)の一例を示す。なお、図2Bは、バンドギャップの大小関係を模式的に示す図である。これ以降のバンド構造を示す図についても同様である。
ここで、本実施形態において、n側第1障壁層3bnとn側第1中間障壁層3mnの間に位置する井戸層を、n側第1井戸層3wnと称して他の井戸層と区別している。
これに対して、本実施形態1では、n側第1中間障壁層3mnのバンドギャップを、n側第1障壁層3bnのバンドギャップより小さくして、n側層2から中央部の井戸層に電子が流入しやすいようにしている。これにより、順方向電圧を低下させることができる。
すなわち、n側第1障壁層3bnのバンドギャップ及び中間障壁層3m2のバンドギャップをn側第1中間障壁層3mnのように小さくすると、電子と正孔を発光層3に閉じ込めるための障壁が小さくなる。この場合、電子と正孔の発光層3内への閉じ込めが弱まり、発光層3における電子と正孔の再結合確率が低下する。このような構造では、例えば20mA以下のような低電流域での発光効率を向上させることが難しい。
実施形態2〜8の窒化物半導体発光素子は、実施形態1の窒化物半導体発光素子と比較して、発光層3の構成が異なる他は実施形態1の窒化物半導体発光素子と同様に構成される。また、特に言及しない限り、同じ名称の層には同様の構成を用いることができる。以下、実施形態2〜8の窒化物半導体発光素子における発光層の構成を説明する。
実施形態2の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図3Aに示すように、実施形態1の発光層3における井戸層3w3とp側第1障壁層3bpの間にさらに、n側層2側からp側第1中間障壁層3mpと、p側第1井戸層3wpとを追加した構造である。そして、p側第1中間障壁層3mpのバンドギャップをp側第1障壁層3bpより小さくしている。
図3Bに、以上のように構成された実施形態2の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
ここで、本実施形態2において、p側第1障壁層3bpとp側第1中間障壁層3mpの間に位置する井戸層を、p側第1井戸層3wpと称して他の井戸層と区別している。
これにより、ドループ現象を抑制することができ、例えば40mA以上のような高電流域での発光効率の低下を抑制することができる。
p側第1障壁層3bpのIn組成bfは、0≦bf<0.1の範囲に設定し、p側第1中間障壁層3mpのIn組成m3は、0<m3<0.2でかつbf<m3とすることが好ましい。これにより、電子の発光層3内への閉じ込めと正孔のp側第1井戸層3p1への集中の緩和をより効率的に行うことができる。このとき、n側第1井戸層3wnと井戸層3w2と井戸層3w3のIn組成wは、例えば0.05≦w≦0.5とする。なお、井戸層のIn組成wは、そのバンドギャップがいずれの障壁層よりも小さくなるように設定する。
例えば、n側第1障壁層3bnをInb1Ga1−b1N(0≦b1<1)で表される窒化物半導体によって形成し、p側第1障壁層3bpをInbfGa1−bfN(0≦bf<1)で表される窒化物半導体により形成する場合、n側第1障壁層3bnのIn組成b1と、p側第1障壁層3bpのIn組成bfを等しくする。この場合、In組成b1とIn組成bfとをいずれも0として、n側第1障壁層3bnとp側第1障壁層3bpとをそれぞれ、GaNにより形成することができる。このようにn側第1障壁層3bnとp側第1障壁層3bpとをバンドギャップの大きな層とすることが、発光層3内へのキャリア閉じ込めに有利である。
これにより、p側層4寄りの井戸層(p側第1井戸層3wp)における正孔の減少を抑制でき、発光効率の高いp側層4寄り井戸層を効果的に発光させることができる。なお、アンドープ層とは、n型不純物及びp型不純物を意図的にドープせずに形成した層を指す。また、アンドープ層は、不純物濃度が二次イオン質量分析(SIMS)等による分析の検出限界以下である層ということができる。発光層3に含まれる井戸層も、典型的にはすべてアンドープ層である。
実施形態3の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図4Aに示すように、実施形態1の発光層3における井戸層3w3とp側第1障壁層3bpの間にさらに、n側層2側から中間障壁層3m3と、井戸層3w4と、中間障壁層3m4と、井戸層3w5と、p側第1中間障壁層3mpと、p側第1井戸層3wpとを追加した構造である。
言い換えると、実施形態3の窒化物半導体発光素子の発光層3は、実施形態2の発光層3における井戸層3w3とp側第1中間障壁層3mpの間にさらに、n側層2側から、中間障壁層3m3と、井戸層3w4、中間障壁層3m4と、井戸層3w5と、を追加した構造である。
図4Bに、以上のように構成された実施形態3の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
ここで、中間障壁層3m3と中間障壁層3m4は、中間障壁層3m2と同じバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。例えば、中間障壁層3m3と中間障壁層3m4は、In組成m4とm5が中間障壁層3m2のIn組成m2と同じに設定したInm4Ga1−m4N(0≦m4<1)及びInm5Ga1−m5N(0≦m5<1)で表される窒化物半導体によって形成することができる。また、中間障壁層3m2、3m3、3m4は、n側第1障壁層3bn及びp側第1障壁層3bpと同じバンドギャップとしてもよい。例えば、中間障壁層3m2、3m3、3m4はGaNからなる。
さらには、電子の濃度が低くなりがちな箇所の中間障壁層にn型不純物をドープし、それ以外の中間障壁層はアンドープとすることが好ましい。これにより、光出力の低下を抑えながら順方向電圧を低下させることができる。具体的には、井戸層と井戸層で挟まれた中間障壁層(n側第1中間障壁層3mnとp側第1中間障壁層3mpを含む)のうち、n側層2に近い順に1以上の層をn型不純物を含有する層とし、少なくとも最もp側層4に近い1層をアンドープ層とすることが好ましい。具体的には、n型不純物を含有する中間障壁層の数は、中間障壁層の総数の80%未満であることが好ましい。このような範囲を満たす構成であれば、中間障壁層がすべてアンドープである場合と比較して、順方向電圧を低下させることができ、且つ、光出力を同等以上とすることができる。例えば、図4Aに示すように5つの中間障壁層を有する場合は、n型不純物をドープする範囲はn側第1中間障壁層3mnから最大でも中間障壁層3m3までとし、それよりもp側層4寄りの層はアンドープとすればよい。
実施形態4の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図5Aに示すように、実施形態1の発光層3におけるn側第1障壁層3bnを組成傾斜層とした構造である。
具体的には、実施形態4のn側第1障壁層3bnは、n側層2からn側第1井戸層3wnに向かってバンドギャップが小さくなるように構成している。例えば、n側層2における第1障壁層3bnが接する層が、GaNからなるn型コンタクト層であり、n側第1井戸層3wnがInGaNである場合、n型コンタクト層側から徐々にIn組成を増加させて、n側第1井戸層3wnとの界面において、n側第1井戸層3wnのIn組成と実質的に等しくなるようにする。
図5Bに、以上のように構成された実施形態4の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
このように、窒化物半導体発光素子10の発光層3において、n側第1障壁層3bnは組成傾斜層としてもよい。実施形態2又は実施形態3の窒化物半導体発光素子の発光層3においても、n側第1障壁層3bnを組成傾斜層とすることができる。尚、この場合、n側第1中間障壁層3mnとのバンドギャップの大小関係は、例えば組成傾斜層における最大のバンドギャップと比較する。組成傾斜層の平均のバンドギャップと比較してもよく、さらには組成傾斜層における最小のバンドギャップと比較してもよい。なお、後述する実施例1、2では、n側第1障壁層3bnを含む各層は組成傾斜層ではなく単一組成層とした。
実施形態5の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図6Aに示すように、実施形態1の発光層3における第1障壁層3bnとn側第1井戸層3wnの間に、組成傾斜層である挿入層3i1を追加した構造である。
この挿入層3i1は、第1障壁層3bn側からn側第1井戸層3wnに向かってバンドギャップが小さくなるように構成している。例えば、第1障壁層3bnと接する部分の組成を、第1障壁層3bnと同一組成とし、第1障壁層3bnから離れるにしたがって組成を徐々に変化させて、n側第1井戸層3wnに接する部分ではn側第1中間障壁層3mnと実質的に同一組成になるようにしている。
図5Bに、以上のように構成された実施形態5の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
このように、障壁層と井戸層は接していなくてもよく、挿入層3i1を設けてもよい。
実施形態6の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図7Aに示すように、実施形態1の発光層3におけるn側第1障壁層3bnとn側第1井戸層3wnの間に、挿入層3i1を含んでいる点では、実施形態5の発光層3と類似している。しかし、挿入層3i1の組成が厚さ方向に変化することなく一定でかつ挿入層3i1のバンドギャップがn側第1障壁層3bnのバンドギャップとn側第1井戸層3wnのバンドギャップの間の値に設定されている。
例えば、n側第1障壁層3bnをGaNにより構成し、n側第1井戸層3wnをInGaNにより構成する場合、挿入層3i1はn側第1井戸層3wnのIn組成より小さいInGaNにより構成する。
図7Bに、以上のように構成された実施形態6の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
このように、挿入層3i1は組成傾斜層に限らず、n側第1障壁層3bn等の障壁層の効果が得られる程度の組成及び膜厚で設けてよい。
実施形態7の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図8Aに示すように、n側第1障壁層3bnとn側第1井戸層3wnの間に挿入層3i1を含み、さらにn側第1井戸層3wnとn側第1中間障壁層3mnの間に挿入層3i2を含んでいる点で実施形態1の発光層3とは異なっている。この挿入層3i1のバンドギャップと挿入層3i2のバンドギャップとは、n側第1中間障壁層3m1のバンドギャップより小さく、n側第1井戸層3wnのバンドギャップより大きくなるように設定される。また、この挿入層3i1のバンドギャップと挿入層3i2のバンドギャップは、好ましくは同一に設定されるが、異なっていても良い。
図8Bに、以上のように構成された実施形態7の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
このように、複数の挿入層3i1、3i2を設けることもできる。
実施形態8の窒化物半導体発光素子の発光層3は、図9Aに示すように、第1障壁層3bnとn側第1井戸層3wnの間に挿入層3i1を含み、さらにn側第1井戸層3wnとn側第1中間障壁層3mnの間に挿入層3i2を含んでいる点で実施形態1の発光層3とは異なっている。この点では実施形態7の発光層3と類似しているが、挿入層3i1及び挿入層3i2が組成傾斜層となっている点で実施形態8の発光層3は実施形態7の発光層3とは異なっている。
図9Bに、以上のように構成された実施形態8の発光層3に係るバンド構造の一例を示す。
また、挿入層を形成する位置は、目的に応じて種々選択され、中間障壁層と井戸層の間、又はp側の障壁層と井戸層の間に形成してもよい。
ここで、発光層3の転位密度は、透過電子顕微鏡(TEM)や、結晶に電子線を照射することにより結晶中にキャリアを励起して再結合時に発生する発光を分光するカソードルミネッセンス(CL)法を用いて評価することができる。
実施例1として表1に示す窒化物半導体発光素子を作製し、実施例2として表2に示す窒化物半導体発光素子を作製し、それらの比較例1として、表3に示す窒化物半導体発光素子を作製した。いずれも、サファイア基板上にこれらの半導体層を成長させ、チップサイズは、650μm×650μmとした。また、いずれも、個片化後にCL法によって測定した転位密度は5×107/cm2程度であった。
その結果、実施例1、2の窒化物半導体発光素子はいずれも比較例1の窒化物半導体発光素子より順方向電圧を低くできること、スロープ効率を高くできることが確認された。
2 n側層(n側半導体層)
3 発光層
3bn n側第1障壁層
3wn n側第1井戸層
3mn n側第1中間障壁層
3w2、3w3、3w4、3w5 井戸層
3m2、3m3 中間障壁層
3bp p側第1障壁層
3wp p側第1井戸層
3mp p側第1中間障壁層
4 p側層(p側半導体層)
6 全面電極
7 p電極
10 窒化物半導体発光素子
Claims (12)
- n側層とp側層の間に多重量子井戸構造の発光層を含む窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層は、前記n側層側から順に、n側第1障壁層と、前記n側層からの距離が最も短い井戸層であるn側第1井戸層と、前記n側第1障壁層よりバンドギャップの小さいn側第1中間障壁層と、前記n側層からの距離が二番目に短い井戸層であるn側第2井戸層と、前記n側第1中間障壁層よりバンドギャップの大きい中間障壁層と、井戸層とを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記n側第1障壁層と前記n側第1中間障壁層とはn型不純物を含み、前記n側第1障壁層のn型不純物濃度は、前記n側第1中間障壁層のn型不純物濃度より大きい請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n側第1障壁層は、Inb1Ga1−b1N(ただし、0≦b1<0.1)からなり、前記n側第1中間障壁層は、Inm1Ga1−m1N(ただし、0<m1<0.2でかつb1<m1)からなる請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記発光層において、前記p側層側から順に、p側第1障壁層と、前記p側層からの距離が最も短い井戸層である前記p側第1井戸層と、前記p側第1障壁層よりバンドギャップの小さいp側第1中間障壁層と、前記井戸層と、前記中間障壁層とを含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n側第1中間障壁層と前記p側第1中間障壁層は、前記n側第1障壁層と前記p側第1障壁層よりバンドギャップが小さい請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p側第1障壁層及び前記p側第1中間障壁層は、アンドープ層又はn型不純物濃度が前記n側第1中間障壁層より小さい層である請求項4又は5に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p側第1障壁層は、InbfGa1−bfN(ただし、0≦bf<0.1)からなり、前記p側第1中間障壁層は、Inm3Ga1−m3N(ただし、0<m3<0.2でかつbf<m3)からなる請求項4〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n側第1障壁層及び前記p側第1障壁層はそれぞれGaNからなる請求項7に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n側第1中間障壁層のInの組成比と前記p側第1中間障壁層のInの組成比は略等しい請求項7又は8に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記中間障壁層と前記井戸層との間に、前記n側層側から順に、前記n側層からの距離が三番目に短い井戸層である中間井戸層と、前記n側第1中間障壁層よりバンドギャップの大きい第2中間障壁層とを含む請求項1〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記中間障壁層がn型不純物を含む請求項1〜10のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記発光層またはその近傍の転位密度は1×108/cm2未満である請求項1〜11のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
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